研究背景：

光镊技术能够实现对微纳尺度颗粒的非接触、高精度操控，在生物物理、材料科学和量子光学等领域具有广泛应用。然而，传统光镊系统依赖于高数值孔径物镜、空间光调制器等体积庞大的光学元件，制约了其在小型化和集成化系统中的应用。近年来，光学超构表面的快速发展为实现超紧凑、多功能的光镊应用提供了新的技术途径。但与此同时，传统材料构建的超构表面在高功率激光持续照射下易产生显著的局域热效应，导致器件性能下降、稳定性降低及使用寿命缩短，进而限制了超构表面光镊在高温、高功率激光等极端工况下的可靠应用。

文章概述：

郑州大学单崇新教授、倪佩楠教授团队与长春理工大学魏志鹏教授团队合作，在Advanced Science上报道了基于金刚石超构表面的具有增强鲁棒性的光镊技术。研究团队基于金刚石超高热导率、低热膨胀系数及高抗激光损伤阈值等优异特性，设计并制备了可在高功率激光下保持结构完整性与光学稳定性的金刚石超构表面光镊系统，包括单焦点和2×2阵列的金刚石超透镜，以及携带不同轨道角动量的金刚石涡旋超构表面，成功实现了其对二氧化硅微球的稳定二维捕获、精准平移，以及通过角动量传递实现的可控旋转操控。这一工作为光镊技术提供了兼具高热稳定性、高功率激光耐受能力与小型化特征的实验平台，在微流控芯片、精密纳米操控及极端环境光子学等对热管理与微型化具有严苛要求的领域展现出广阔的应用前景。

图文导读：

图1.金刚石超透镜的器件表征。由于金刚石极低的热膨胀系数和热光系数，其超透镜在不同环境温度下展现出优异的热稳定性。实验制备的单焦点（图b左）和2×2阵列（图b右）金刚石超透镜的光学显微镜图像与扫描电镜图像显示制备的器件具有高质量的纳米结构

图2.金刚石超透镜性能的实验表征。室温下单焦点超透镜和2×2阵列超透镜均表现出良好的聚焦性能。热稳定性评估显示，在-50°C至400°C宽温度范围内，单焦点透镜焦距及2×2透镜阵列四个焦距均保持稳定，2×2透镜阵列的焦点间距变化极小。与传统物镜相比，金刚石超透镜在高功率激光照射下焦点位移和温升均几乎维持不变

图3.基于金刚石超透镜光镊系统的位移操控演示。利用单焦点超透镜可稳定捕获并精准操控单个二氧化硅微球；利用2×2阵列超透镜可并行捕获并同步操控四个微球，微球之间可以保持约100 μm的稳定间距，验证了系统的多粒子操控能力

图4.金刚石涡旋超表面性能表征。基于几何相位原理设计了携带不同轨道角动量的金刚石涡旋超表面。不同拓扑荷数（l=10,20,30）的金刚石涡旋超表面均能产生具有中心暗核的环形强度分布，且中心暗核直径随拓扑荷数增加

图5.基于金刚石涡旋超表面光镊系统的微球旋转操控演示。在相同激光功率下，被捕获微球的旋转速度随拓扑荷数（l = 10, 20, 30）的增加呈现单调递增趋势（0.20→0.28→0.34 rps）。通过切换入射圆偏振光的手性，可实现粒子顺时针与逆时针旋转方向的灵活切换，演示了双向旋转操控能力

结论

本研究将金刚石超构表面与光镊系统相结合，通过材料创新，突破了传统材料超构表面光镊技术在高功率激光应用中的热效应及稳定性瓶颈。所构建的金刚石超构表面光镊兼具结构紧凑与热鲁棒性双重优势，能够在高功率激光及剧烈温度波动等极端环境下稳定运行，为片上实验室、精密操控等领域开辟了新的技术路径。

论文信息：

Diamond Metasurface-Based Optical Tweezers With Enhanced Robustness

Jing-Yuan Zhu, Ke-Xue Li, Pei-Nan Ni*, Shang-Heng Li, Si-Rui Wang, Wen-Jie Dou, Yong-Yang Zhu, Zhi-Peng Wei*, Chong-Xin Shan*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202524086

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202524086

期刊介绍：

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